Giáo trình sinh lý thực vật (tập 1 phần lý thuyết) phần 2

Chương HÔ HẤP Ở THỰC VẬT 4.1 Khái quát chung 4.1.1 Định nghĩa Hơ hấp q trình phân giải oxy hóa chất hữu với tham gia oxy khơng khí sản phẩm cuối CO2 H2O, đồng thời giải phóng lượng cung cấp cho tất hoạt động sống tạo sản phẩm trung gian cho trình sinh tổng hợp chất khác Như vậy, hô hấp không q trình phân giải túy mà cịn tham gia vào trình tổng hợp nghĩa cung cấp số nguyên liệu cho số công đoạn trình tổng hợp chất khác Ở muốn nói đến vai trị sản phẩm trung gian q trình hơ hấp Phương trình đơn giản hô hấp viết sau: C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O - Q (kcal + to) Tuy nhiên, hơ hấp q trình oxy hóa khử xảy phức tạp bao gồm hàng loạt phản ứng hóa sinh liên tục xúc tác hệ thống enzyme đặc hiệu Quá trình chia thành hai giai đoạn: Giai đoạn 1: Quá trình oxy hóa chất hơ hấp với tham gia hệ thống enzyme oxy hóa khử tách điện tử H+ khỏi chất hô hấp để hình thành nên chất khử mạnh NADH+H+, FADH2, NADPH+H+ giải phóng CO2 vào khơng khí Giai đoạn 2: Q trình oxy hóa liên tục NADH, FADH2, NADPH với tham gia oxy khơng khí để giải phóng lượng tích lũy liên kết cao ATP hình thành nên H2O Theo phương trình tổng qt hai giai đoạn viết sau: C6H12O6 + 6H2O → 6CO2 + 12H+ 12H+ C6H12O6 + 6O2 → 12H2O – Q (kcal + to) + O2 → 6CO2 + 6H2O - Q (kcal + to) 4.1.2 Vai trị hơ hấp thực vật Hô hấp cung cấp lượng cho tất hoạt động Quang hợp q trình tích lũy lượng ánh sáng mặt trời vào chất hữu q trình hơ hấp lượng giải phóng để cung cấp cho hoạt 165 động sống trình phân chia sinh trưởng tế bào, trình trao đổi chất vận chuyển vật chất ngược chiều gradient nồng độ, đặc biệt giúp chống chịu với điều kiện bất lợi môi trường… Như vậy, lượng sinh từ q trình hơ hấp có nguồn gốc sâu xa từ lượng ánh sáng mặt trời Trong trừ phần lượng dùng phản ứng đồng hóa carbon pha tối lấy từ ánh sáng mặt trời thông qua phản ứng sáng quang hợp, lại lượng cho tất hoạt động sống khác lấy từ trình hơ hấp Sản phẩm trung gian hơ hấp dùng làm nguyên liệu tổng hợp chất hữu khác Một số sản phẩm trung gian q trình hơ hấp, ví dụ đường pentozo – P, fructose – P, acetyl coenzym – A, acid amin, ketoacid… dùng làm nguyên liệu để tổng hợp hợp chất hữu khác thể protein, lipid, acid nucleic, glucid Điều có nghĩa hơ hấp khơng q trình phân giải đơn mà cịn mang ý nghĩa tổng hợp vật chất hay nói cách khác hơ hấp vừa q trình dị hóa vừa mang đặc tính q trình đồng hóa Hơ hấp điểu chỉnh để mang lại lợi ích cho người Trong sản xuất, việc hiểu biết hô hấp giúp ta điều chỉnh hơ hấp theo hướng có lợi cho người tránh hơ hấp yếm khí có hại cho cây, khống chế hô hấp việc bảo quản nông sản phẩm để giảm thiểu hao hụt chất hữu hô hấp nông sản phẩm 4.1.3 Nguyên liệu Điều kiện hơ hấp xảy mơ thực vật phải có hợp chất hữu làm nguyên liệu cho phản ứng oxy hóa Glucose nguyên liệu phổ biến cho hô hấp, mô tả trình hơ hấp điển hình thường diễn tả q trình phân giải glucose Có thể nói kiến thức kinh điển qua thời kỳ phát triển khoa học sinh học Tuy nhiên, hợp chất carbon khử có nguồn gốc từ q trình phân giải tinh bột, hay quang hợp disaccharide sucrose, hexose phosphate triose phosphates; chất đồng phân có chứa fructose fructan, đường khác; hay lipids (triacylglycerols sơ cấp), acid hữu cơ, protein tế bào sử dụng làm nguyên liệu hô hấp Tóm lại, ngun liệu hơ hấp hợp chất hữu khác glucose, sản phẩm q trình chuyển hóa tinh bột, lipid, acid hữu cơ, protein, nhiên phổ biến glucose 166 4.2 Bộ máy hô hấp 4.2.1 Cấu tạo ty thể Khác với quang hợp, thể thực vật quan hơ hấp chun biệt Q trình hơ hấp thực bào quan nằm tế bào chất ty thể Vì thế, ty thể coi trung tâm sản sinh lượng tế bào hay gọi nhà máy điện tế bào (cell powerhouse) Trong cấu tạo ty thể có nhiều đặc điểm để phù hợp với chức hô hấp tế bào Trong tế bào thực vật ty thể có dạng hình cầu, dạng que hay dạng sợi dài: đường kính 0,5-1 μm, chiều dài 1-5 μm Số lượng ty thể tế bào phụ thuộc vào hoạt động trao đổi chất mơ bào Cơ quan có hoạt động trao đổi chất mạnh số lượng ty thể nhiều ngược lại Thành phần chủ yếu ty thể protein chiếm 70% khối lượng khô, chia làm hai loại protein hòa tan protein enzyme protein khơng hịa tan protein tham gia cấu tạo nên phức hợp chức định vị màng ty Ngoài ty thể cịn có lipid chiếm khoảng 27% chủ yếu phospholipid, lại ADN ARN riêng ty thể Ty thể cấu tạo ba phần: màng bao bọc; màng ty thể khoang ty thể (Hình 4.1) Hình 4.1 Cấu trúc ty thể, hình mơ ty thể (a), hình ảnh hiển vi điện tử (b); cấu trúc màng ty thể (c) 167 Màng ngồi Màng ngồi có cấu trúc màng (màng sinh học), cấu tạo từ hai lớp kép lipid tương tự màng sinh chất hay màng lục lạp; có bề dày khoảng – 7nm Về chức năng, màng ngồi có nhiệm vụ bao bọc, bảo vệ định tính thấm chất vào ty thể Màng Màng (Hình 4.1c) ty thể gồm hệ thống màng ăn sâu vào không gian bên ty thể tạo thành nếp gấp lược Đặc điểm làm gia tăng đáng kể diện tích bề mặt màng tạo điều kiện thuận lợi cho q trình vận chuyển điện tử phosphoril hóa oxy hóa diễn Trên bề mặt màng có nhiều hạt hình cầu có chân gọi thể hình nấm (oxisome/hạt) Mỗi oxisome có cấu tạo gồm phần, đầu, thân chân Trong phần đầu có hình trịn giống mũ nấm, bên chứa enzyme cho trình tổng hợp ATP Về chức màng ty thể chứa nhiều enzyme tham gia vào chuỗi chuyển vận electron phosphoryl hóa Cơ chất ty thể Màng bao quanh khối chất gọi chất ty thể (Hình 4.1a,b) Cơ chất ty thể có thành phần hóa học chủ yếu protein chiếm 50%, phần lớn số enzyme chu trình Krebs enzyme khác (xem phần chế hô hấp); chiếm tỷ lệ định lipid ngun tố khống Ngồi chất cịn chứa phân tử ADN dạng vòng ARN, ribosom cho trình tổng hợp số protein riêng ty thể Cơ chất ty thể nơi diễn phản ứng oxy hóa chất hữu chu trình Krebs Khoang ty thể Ty thể có hai khoảng trống bên ngồi bên trong, khoảng trống bên ngồi ngăn cách màng màng ngồi; cịn khoảng trống bên hình thành hai lớp màng gấp nếp lại tạo thành, khoảng trống bên lược (Hình 4.1c) Vai trò khoang ty thể tham gia vào q trình tổng hợp ATP thơng qua việc điều chỉnh điện tử H+ khoang 4.2.2 Chức ty thể Thực oxy hóa chất hữu để giải phóng lượng tích lũy phân tử ATP 168 Ty thể cung cấp hợp chất trung gian để thực trình sinh tổng hợp số hợp chất quan trọng cho chlorophyll, cytochrome, pyrimidine, steroid, alkaloid Chất ty thể có chứa enzyme cho sinh tổng hợp chất béo Ty thể nơi tổng hợp số amino acid Đầu tiên acid glutamic acid aspartic Những hợp chất tổng hợp từ acid α-ketoglutaric oxaloacetic tương ứng Các amino acid khác tổng hợp phương pháp chuyển hóa chuyển vị amin (nhóm –NH2) từ acid glutamic acid aspartic Ty thể nơi dự trữ giải phóng Ca2+ tế bào cần Ngồi ra, ty thể có chứa riboxom, ADN ARN riêng nên có khả tổng hợp số protein riêng thực chức di truyền ngồi nhân số tính trạng qui định protein ty thể 4.3 Cơ chế hô hấp Hô hấp thực vật có hai hình thức, hơ hấp hiếu khí hơ hấp yếm khí Với tham gia bắt buộc oxy khơng khí, ngun liệu hơ hấp oxy hóa tới sản phẩm cuối CO2 H2O giải phóng lượng, gọi q trình hơ hấp hiếu khí Ngồi ra, rơi vào điều kiện khơng có oxy, hơ hấp hiếu khí chuyển sang hình thức hơ hấp yếm khí, hay cịn gọi q trình lên men Trong hai hình thức hơ hấp hiếu khí xảy tất thực vật Trái đất Trong lên men hình thức hơ hấp tạm thời mơi trường khơng có oxy Nhìn chung hơ hấp trình phức tạp gồm nhiều phản ứng sinh hóa khác với tham gia số lượng lớn enzyme đặc biệt hình thức hơ hấp hiếu khí 4.3.1 Hơ hấp hiếu khí Hơ hấp hiếu khí hình thức hơ hấp chủ yếu đảm bảo nguồn lượng cho hoạt động sống tế bào Hình thức xảy tất tế bào thể thực vật điều kiện có O2 Q trình chia làm ba giai đoạn: đường phân, chu trình Krebs; trình vận chuyển điện tử phosphoril hóa hơ hấp, tóm tắt Hình 4.2 Trong đó, đường phân q trình phân giải yếm khí đường glucose thành pyruvate giải phóng ATP, NADH, trình diễn tế bào chất Chu trình Krebs tiếp tục oxy hóa hồn tồn pyruvate thành sản phẩm cuối CO2 H2O, giải phóng ATP, NADH FADH2 điện tử, trình diễn chất ty thể Vận chuyển điện tử phosphoril hóa thực chất hai q trình riêng biệt có kết hợp chặt chẽ với màng ty thể để tạo sản phẩm 32-34 ATP Chi tiết giai đoạn trình bày sau 169 Hình 4.2 Sơ đồ tóm tắt q trình hơ hấp hiếu khí 4.3.1.1 Q trình đường phân a) Diễn biến Diễn tế bào chất, xúc tác loạt enzyme oxy hóa khử khác nhau, phân tử đường glucose phân giải thành acid pyruvic Q trình khơng địi hỏi tham gia oxy nên gọi giai đoạn yếm khí q trình hơ hấp hiếu khí Đường phân giai đoạn chung cho q trình hơ hấp hiếu khí yếm khí Phương trình tổng qt trình đường phân sau: C H O + 2ADP + 2NAD + 2H PO → 2C H O + 2NADH + 2ATP 12 4 Thực chất đường phân trình sinh lý phức, gồm 11 phản ứng, chia thành ba giai đoạn nhỏ hoạt hóa đường, phân giải đường hình thành ATP NADH (Hình 4.3) Hoạt hóa đường Ở giai đoạn này, phân tử đường hoạt hóa nhờ ATP để thành đường hexozophosphate Giai đoạn cần phân tử ATP để biến đổi glucose thành fructozo1,6-diphosphate qua gian fructozo-6-diphosphate Phân giải đường Sau hình thành, phân tử fructozo - 1,6 - diphosphate bị phân giải thành triozophosphate 3- phosphoglyceral aldehyde dihydroxy aceton phosphate Trong 170 hai đường ba carbon chuyển hóa lẫn Dihydroxy aceton phosphate sau Hình 4.3 Quá trình đường phân Trong hình mol – molecule: Phân tử 171 chuyển thành 3- phosphoglyceral aldehyde Giai đoạn hình thành ATP NADH Đây giai đoạn oxy hóa liên tục 3- phosphoglyceral aldehyde với tham gia NAD để hình thành nên acid pyruvic đồng thời giải phóng ATP tự NADH Giai đoạn hình thành ATP NADH Đây giai đoạn oxy hóa liên tục 3- phosphoglyceral aldehyde với tham gia NAD để hình thành nên acid pyruvic đồng thời giải phóng ATP tự NADH b) Kết Oxy hóa phân tử glucose đường đường phân tạo phân tử pyruvate, 2ATP tự 2NADH2, mà 1NADH2 sau trình phosphoril hóa có mức lượng tương đương 3ATP Như vậy, giai đoạn đường phân phân tử acid pyruvic cịn tạo lượng tương đương 8ATP Trong điều kiện có oxy, pyruvate sau tạo thành rời khỏi tế bào chất, di chuyển đến ty thể để thực trình phân giải chu trình Krebs Cịn khơng có oxy pyruvate lại tế bào chất bị biến đổi q trình lên men yếm khí 4.3.1.2 Chu trình Krebs a) Diễn biến Pyruvate sau qua hai lớp màng ty thể di chuyển vào chất Tại đây, bị oxy hóa triệt để với xúc tác hệ thống enzyme đặc hiệu để giải phóng CO2 H2O; đồng thời tạo chất khử có mức lượng cao NADH2, FADH2 giải phóng ATP tự Phương trình tổng quát chu trình Krebs sau: C3H4O3 + H2O → CO2 + ATP + 10 [H2] Trong trình trên, pyruvate trước tham gia vào chu trình Krebs, decarboxy hóa enzyme pyruvate dehydrogenase, tạo sản phẩm NADH (từ NAD+), CO2, acetic acid dạng acetyl-CoA (Hình 4.4) Enzyme pyruvate dehydrogenase tồn dạng phức gồm vài enzyme có khả phân giải tồn bước q trình oxy hóa, ba bước decarboxylation, oxidation, kết hợp với CoA Phản ứng tổng hợp hợp chất 6C citrate (acid citric) nhờ kết hợp acetyl coenzyme A với hợp chất 4C oxaloaxetic acid, mở đầu cho chu trình Krebs Do hợp chất chu trình acid citric, nên người ta cịn gọi chu trình citric Sau citrate tiếp tục biến đổi liên tục qua acid: aconitate, izocitrate, 172 oxalosuccinate, α-xetoglutarate, succinyl coA, succinate, fumartate, malate cuối quay trở lại oxaloaxetate acid để khép kín chu trình Các phản ứng trình enzyme xúc tác tóm tắt Hình 4.4 Quan sát chu trình Krebs Hình 4.4 cho thấy acid chu trình hầu hết có nhóm – COOH nên chu trình gọi chu trình tricarboxylic acid (chu trình TCA – Tricarboxylic acid) Hình 4.4 Chu trình Krebs (chu trình citric acid - citric acid cycle) b) Kết Sau oxy hóa hồn tồn phân tử pyruvate, chu trình Krebs tạo phân tử CO 2, ATP tự do, 10 cặp H+ (8NADH2 2FADH2), điện tử H+ chuyển tới O2 khơng khí, qua q trình vận chuyển điện tử, lượng giải phóng tích lũy phân tử ATP qua q trình phosphoril hóa mức coenzyme (xem phần sau) Kết cuối lượng sau phân tử pyruvate trải qua chu trình Krebs 30ATP c) Ý nghĩa Là chu trình cho tất giới sinh vật, tạo lượng lượng lớn 30 ATP sau oxy hóa hồn tồn phân tử pyruvate từ q trình đường phân Đây nguồn lượng chủ yếu cung cấp cho hoạt động sống Chu trình Krebs tạo nhiều sản phẩm trung gian mà chúng nguyên liệu để 173 tổng hợp nên chất hữu khác Ví dụ, xetoacid dùng để tổng hợp acid amin, sau tổng hợp nên protein; Axetin – CoA đóng vai trị trung tâm trao đổi lipid, steroid, terpenoid, isoprinoite, phytochrom, gibberillin (GA3), abscisic acid (ABA) hay tổng hợp nên chlorophyll, acid nucleic Ngoài ra, khả chịu phân đạm, chịu nóng liên quan đến chu trình Krebs nhờ tham gia số hợp chất trung gian pyruvate, fumarate, malate, oxaloacetate, succinate q trình đồng hóa amon, giúp giải độc amon hàm lượng NH3 tăng lên bón dư thừa nitơ phân giải hợp chất chứa nitơ nhiệt độ cao gặp nóng 4.3.1.3 Chu trình pentose phosphate a) Diễn biến Song song với đường đường phân chu trình Krebs q trình hơ hấp hiếu khí trình bày đây, tế bào cịn đường hơ hấp hiếu khí khác chu trình pentose phosphate Đây q trình phân giải triệt để glucoze khơng qua giai đoạn đường phân mà oxy hóa trực tiếp đường glucose-6-phosphate sản phẩm trình phosphatase đường glucose (Hình 4.5) Hai phản ứng chu trình oxy hóa chuyển hóa hợp chất đường 6C, glucose-6phosphate thành đường 5C ribulose-5-phosphate, giải phóng CO2 Tiếp ribulose-5-phosphate biến đổi thành hai sản phẩm trung gian với trình đường phân glyceraldehyde-3-phosphate fructose-6 phosphate Bởi đường 6C glucose-6phosphate tái sinh từ glyceraldehyde-3-phosphate fructose-6 phosphate nhờ enzyme trình đường phân (Hình 4.2), đường phân ưu tiên trước sau đến chu trình pentose phosphate, nên lần quay vịng chu trình tóm tắt phương trình sau: 6glucose-6-P + 12NADP+ + 7H2O → 5glucose-6-P + 6CO2 + Pi + 12NADPH + 12H+ Trong đó, phân tử glucose-6-phosphate trải qua chu trình pentose phosphate tái tạo phân tử, phân tử bị oxy hóa để tạo 12 phân tử NADPH 174